气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水

沈浩，张春，陈超，景文珩，邢卫红



气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水

沈浩1，张春2，陈超1，景文珩1，邢卫红1

(1南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 210009；2江苏久吾高科技股份有限公司，江苏 南京 211808)

采用新型的气升式陶瓷膜过滤系统处理油田含聚采出水，通过气液两相流替代单一的液相流动，降低了陶瓷膜处理油田含聚采出水过程的能耗，系统考察了曝气孔大小、曝气量和跨膜压差对膜渗透通量的影响。结果表明，采用孔径为微米级的曝气头曝气使高压气体在多通道膜管内的分布更为均匀，进而有效抑制膜污染和浓差极化，延缓通量衰减。当曝气孔径为1 μm时，渗透通量达到最大，且曝气量从300 L·h-1增加到600 L·h-1时，通量显著增加。此外，跨膜压差对膜的渗透通量影响显著，当跨膜压差为0.4 MPa时，渗透通量最佳。陶瓷膜处理油田采出水的出水水质各方面指标数据较为稳定，达到5.1.1回注水标准。最后，计算讨论了气升式陶瓷膜过滤装置的吨水能耗。

气升式；膜；油田采出水；微孔曝气；过滤

引 言

近年来，膜技术在水处理领域的发展越来越快，在工业废水处理中不断取得新的进展[1-5]。其中无机陶瓷膜因具有耐苛刻环境、耐油耐酸碱、亲水性好、出水水质稳定等优点而在含油废水的达标处理中具有很好的应用前景[6]。但是膜污染和浓差极化造成的运行稳定性差制约了该技术的工业化推广[7]。减缓膜运行过程中的污染和浓差极化主要方法有预处理、膜过程强化、操作参数优化、膜材料改性等[8-9]。

气液两相流是一种十分有效的减轻膜过程浓差极化和膜污染方法，基于该技术设计的气升式膜过滤装置，以压缩气体为动力，无需循环泵，近年来受到国内外学者广泛关注。Cui等[10]提出了气升错流过滤的思想，发现将曝气引入到葡聚糖超滤过程中，能够在较低的膜面气速下获得较高的膜通量，同单相流相比，膜通量提升30%。张峰等[11]研究了弹状流下气升式膜装置过滤葡聚糖溶液，发现与相同液速条件下单相流相比，通量提升87%，气弹区剪切力是相同单相流下的9～12倍。Mei等[12]改进了曝气条件，将臭氧作为气源研究了气升式陶瓷膜装置过滤腐殖酸水溶液的影响，发现使用压缩臭氧曝气时，不仅提高了腐殖酸的截留效果，还提高了膜渗透通量。石风强等[13]将纳滤过程与陶瓷膜气升式装置结合过滤杆菌肽水溶液，通过计算发现同传统的泵提供循环和过滤压力的装置相比，能耗大大降低。

以上研究已表明通过气液两相流强化能有效地抑制膜污染、提高膜过滤通量，并降低过程的能耗，然而如何使气相均匀分布在管道液流中仍是该方面研究的关键。本文主要采用微孔曝气的方式，在多通道陶瓷膜管流道内形成均匀的气液两相流，并系统考察了微孔曝气头孔径、曝气量和跨膜压差对含聚采出水过滤通量的影响，计算了过程能耗，为气升式陶瓷膜过滤装置规模化应用提供了依据。

1 实验部分

1.1 陶瓷膜

ZrO2多通道管式超滤膜，江苏久吾高科技股份有限公司，膜管长200 mm，外径30 mm，通道数为19，通道直径3.6 mm，膜面积0.04 m2，膜平均孔径为50 nm，孔隙率35%。

1.2 水样

实验处理水样为胜利油田含聚采出水，主要含有大量的聚合物（聚丙烯酰胺）、表面活性剂、乳化油、溶解油及矿物元素，水质分析见表1。

表1 采出水水质分析 Table 1 Characteristics of oil-field produced water

1.3 实验装置及方法

首先用孔径38mm的不锈钢金属丝网过滤原水样，去除较大的悬浮物；然后用臭氧发生器对粗滤后的水样进行曝气处理，臭氧处理浓度为3 g·L-1，使采出水黏度由2.14降到1.44 mPa·s（25℃）；最后用气升式陶瓷膜过滤装置处理臭氧氧化后的水样。

图1所示为气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水的实验装置图，用计量泵将油田采出水水样打入装置内部，降液区外围包有一层加热套控制过滤温度恒定在55℃(油田采出水来水的温度在50℃左右）。待进料液到达指定位置，通入压缩空气，气体经过气体分布器分布在气升管中进入膜组件，为膜过滤提供压力并带动液体循环。气体向上通过气升管后气液分离，最后经过流量计读出示数。用阀门调节压力和曝气量到一定值，在过滤过程中，不断补充料液，控制装置内部液面在可见范围。调节不同的曝气量和压力考察过滤性能。

1.4 水质分析

实验中，陶瓷膜渗透通量通过一定时间内单位膜面积的渗透液体积来表示；含油量采用非分散红外法，OIL510型全自动红外分光测油仪，北京华夏科创仪器技术有限公司；粒径中值采用纳米粒度及ZETA电位测定仪，美国麦克公司；固体悬浮物含量（SS）采用称重法计算；COD含量采用标准的重铬酸钾法测量；TOC含量采用燃烧氧化-非色散红外吸收法，日本岛津TOC-Vcph型总有机碳分析仪；矿物元素分析采用Optima 7000DV型电感耦合等离子体(ICP)原子发射光谱仪测量，美国Perkin Elmer公司。

2 实验结果与讨论

2.1 影响通量的参数

2.1.1 曝气孔径

曝气在垂直膜管通道内的气液两相流一般存在如下几种情况[14]，如图2所示：① 泡状流，即大量离散的小气泡在管道的液体中比较均匀地分散，在向上运动的过程中有向管道中心聚集的趋势；② 活塞流，即气泡以间歇的塞状出现，有固定的边界，有时也叫泰勒泡，被连续的液相分开，并且含有许多小的气泡；③ 弹状流，即气泡以间歇的子弹状在管道中运动，相界面模糊，比活塞流具有更高的气速；④ 混状流，液相连续性不断被气体打断，气泡无序、混乱，大小不均；⑤ 环状流，气体占据管道中心位置，形成连续带状，液相沿着管壁运动，有一定的连续性和厚度。其中，弹状流被认为是最有利于强化过滤的流型[15]，因此，在气升式膜过滤系统中，膜管中的气液两相流气泡形状为弹状流最为合适。

一般而言，曝气头孔径较大时，容易形成弹状流，因此大多数研究工作都集中在毫米级曝气的基础上[14, 16]。而对于微孔曝气下，膜管通道中的气泡形态及其对通量的影响尚不清楚。为此，本文考察了不同孔径的曝气头[孔径分别为1000(P1000)、50(P50)、10(P10)、1(P1)μm]曝气对膜通量的影响，结果如图3所示，可以看出，通量随着曝气孔径的减小而增加。在4组平行实验中，P1000的膜渗透通量起始值最小，且随着过滤时间下降最快，1 h后通量由起始时的90 L·m-2·h-1降为33.4 L·m-2·h-1，降为初始通量的1/3；随着曝气孔径的减小，膜通量显著增大。P1的通量最大，其起始通量高达146.9 L·m-2·h-1，经过1 h过滤后的膜通量为91.6 L·m-2·h-1，比P1000下的对应通量大大提高。

为了进一步考察微孔曝气的气泡形状，采用清水进行了冷模实验，对膜管通道中气泡进行跟踪拍摄，结果如图4所示(1 μm曝气孔)。由照片可以看出，在该孔径曝气下，通道的气泡均为弹状流，分布均匀，没有出现气体死区的通道，这就保证了全部通道中膜表面浓差极化层都能够得到有效的控制，整个膜污染被大大减缓，通量随之提高。这是因为使用1 μm的曝气孔时，虽然气体刚出曝气孔时产生的气泡直径非常小，普遍以泡状流的形态存在，但随着大量气泡的上升，过程中发生碰撞，不断聚集、变大，进入膜管通道时流道又被进一步压缩，最终形成弹状流向上运动[17]。同样的方法观察了曝气孔径为50、10 μm下的气泡在膜管通道中的运动情况，发现在微孔曝气的情况下，膜管内的气液两相流均以弹状流的形态存在。

采用1 mm孔径的曝气头通量低，衰减快，这是因为液体中的气泡总是走阻力最小的空间路线，高压高速气体经过曝气孔板时，由于孔径较大没有受到明显的阻力，未有效地分散即产生较大的气泡垂直上升，气体向上仅通过少数的膜管通道，气体的过度集中，造成这些通道内液体与膜面接触的概率下降，因此膜通量较低。另外，由于其他通道内未形成均匀的气液两相流，因此对膜表面浓差极化抑制能力下降，膜通量衰减较快。而随着曝气头孔径减小到微米级别，高速高压气体在通过微米级曝气孔时，先形成均匀分散的泡状流，从而较为均匀地分散到膜管的各个通道内。然后形成弹状流的气液两相流，借助弹状流的扰动效应使膜表面的浓差极化层被有效地控制，通量增大[18]。曝气头孔径进一步减小，气体分布更加均匀，对浓差极化抑制进一步增强，通量进一步增大。当孔径减小到1 μm时，通量达到最大。

气含率是影响过滤性能的另一重要参数。在气升式陶瓷膜过滤装置中，气升管气含率大小反映了膜管通道中弹状流气泡的数目及长度，气含率越高，则弹状流气泡数目越多、长度越长，因此对浓差极化和膜污染的控制效果越好。本文用液体排出法测定了气升管气含率在不同曝气孔大小下随曝气量的变化情况，结果如图5所示，可以看出，气升管气含率随着曝气头孔径的减小和曝气量的增加而增加。曝气孔径1 μm下的气升管气含率最高。这是因为曝气孔径越小，气泡越小且阻力越大，上升速度越慢，停留时间越长，造成气含率增加；此外，较小曝气孔的气体扩散范围更大，也增加了气含率。而较大的孔径在高曝气量下，由于气体进入速度较快，且没有什么阻力，速度不会降低，直接形成气柱进入少数的通道，以较快的速度出气升管。气体停留时间短。且有些膜管通道气泡较少甚至无气泡，所以气含率较低。

2.1.2 操作压力

操作压力（即跨膜压差）对膜运行过程有着重要的影响，一般来说压力越大，通量越高。但是过高的压力会使污染物更容易进入膜孔，堵塞孔道，造成更为严重的膜污染，不利于膜的长期运行[19]。超滤膜的过滤压力一般在0.1～1.0 MPa之间[20]，实验考察了0.2～0.5 MPa压力下的膜通量情况。

图6是不同操作压力下的通量随过滤时间的变化对比情况，可以看出，通量曲线大概分为两个阶段，第1阶段主要是前30 min，乳化油和聚丙烯酰胺在陶瓷膜表面形成污染层，导致膜通量快速衰减[21-22]。第2阶段为30 min以后，陶瓷膜通量衰减趋势变缓，通量下降趋于平缓，该阶段通量下降的主要原因是随着浓缩过程中有机物浓度升高，导致膜表面浓差极化作用的加剧。此外，通量随压力升高呈现出先增加后降低的趋势。压力由0.2 MPa提高到0.4 MPa时，膜通量随着过滤压力增加时整条曲线都有明显增加；而压力进一步增加到0.5 MPa时，膜的初始通量虽然略有增加，但是过滤不到30 min后，通量已低于0.4 MPa下的对应通量，随着过滤进一步进行，通量衰减更快。这是因为过高的压力不仅使污染物更容易进入膜孔内堵塞孔道，而且也提高膜表面污染层的密实程度，导致过滤阻力变大。如图6所示，105 min后0.5 MPa的通量从开始的153.1 L·m-2·h-1降到62.5 L·m-2·h-1,而0.4 MPa的通量由146.9 L·m-2·h-1降到77.6 L·m-2·h-1，因此选择0.4 MPa作为处理油田采出水的运行压力最合适。

2.1.3 曝气量

曝气量的大小直接决定了气升式陶瓷膜过滤系统中气液两相流的流速，因此对膜面剪切力和膜通量有着重要的影响。图7是不同曝气量下通量与时间的关系曲线。由图可以看出，曝气量的增大对膜通量有着明显的提高，曝气量为600 L·h-1时的平均通量比300 L·h-1的增加了约50%。

曝气量对膜通量的影响主要体现在对循环液速和膜面剪切力的影响上，其数值越大，则更能有效地控制浓差极化[23-24]。在弹状流条件下，膜管通道内的气液两相流由连续的气弹和液弹组成，根据式(1)～式(4)[24-25]，对100～600 L·h-1曝气量下的循环液速和气弹液弹区的膜面剪切力进行计算，结果分别见图8、图9。由图8可以看出，增大曝气量可以提高气升式陶瓷膜过滤装置内的循环液速。随着曝气量的增大，其增大趋势变缓。从图9可以看出，在实验研究的曝气量范围内，气弹区膜面剪切力是液弹区膜面剪切力的6～10倍，故气弹的存在对膜面浓差极化的抑制作用比液弹区的更强，气弹的存在更有利于通量的增大。在600 L·h-1的曝气量下，气弹区的膜面剪切力为3.4 Pa，高于300 L·h-1下的3.1 Pa，这也进一步说明较高的曝气量更有利于膜通量的提高。

式中，Lr为升液管表观液速，r为升液管气含率，G为膜面表观气速，Lm为膜面表观液速，G为曝气量，d、m、r分别为降液管、膜管、升液管横截面积，d、m、r分别为降液管、膜管、升液管直径，d、m、r分别为降液管、膜管、升液管摩擦因子，d、m、r、D分别为降液管、膜管、减去膜管的升液管、气液分离区高度，为重力加速度，为剪切力，L为摩擦因子，L为液体密度。

2.2 处理后的水质

油含量、颗粒粒径中值、固体悬浮物含量是油田回注水的三大指标。3种指标可以直接决定回注水可以注入到哪类地层。根据《SYT 5329—2012》碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法，目前油田回注水已经广泛要求达到特低渗透地层回注标准，简称5.1.1标准，即要求油田回注水的油含量不得超过5 mg·L-1，颗粒粒径中值低于1 μm，固体悬浮物含量不高于1 mg·L-1。

表2是处理前后水质对比，可以看出，经过本文的工艺处理后，渗透液三大指标均达到5.1.1标准。出水水质较清，浊度去除率超过98%。COD和TOC均有了大幅度降低。出水电导率变化可以联系表3中采出水经过处理前后的几种主要的无机矿物元素浓度数据，对比可以看出，采出水中硅与钠占据矿物元素的比例较高，其高含量是造成采出水电导率高的主要原因。经过本文的工艺处理后，各种元素的含量只有小幅度的降低，故采出水的电导率没有明显的降低，这主要是由于采用的陶瓷膜孔径较大，对无机盐及矿物质的截留率较低。

表2 处理水质效果 Table 2 Quality analysis of feed and outlet

表3 废水处理前后的ICP分析 Table 3 ICP analysis of feed and outlet

2.3 能耗计算

气升式陶瓷膜过滤装置的能耗采用式(5)、式(6)计算[10]

式中，为压缩机功率，为气升式膜过滤装置能耗，A为空气密度，A为压缩前气量，A为空气比热容，为温度，为操作压力，A为大气压力，为压缩机效率，为通量，为膜过滤面积。

可以看出，在本实验中，该气升式陶瓷膜过滤装置的能耗取决于曝气量、操作压力以及渗透通量。按长度为1 m的19通道陶瓷膜考虑其能耗，气升式陶瓷膜过滤装置在不同操作条件下的能耗如表4所示。在跨膜压差0.4 MPa、曝气量600 L·h-1条件下，空气压缩机的理论功率为51.017 W，能耗为9.501×106J·m-3，处理每吨水样需要2.639 kW·h电。

考虑到实际工业化中，陶瓷膜过程能耗高是制约因素，为降低过程能耗，处理油田采出水大多使用37通道的陶瓷膜，而且是双级串联。用同样的方法计算双级串联下的37通道陶瓷膜过程能耗，结果如表5所示。在跨膜压差0.4 MPa、曝气量600 L·h-1条件下，能耗为3.167×106J·m-3，理论上每吨水样耗电0.879 kW·h。

表4 不同操作条件下的能耗 Table 4 Energy consumption at different operating conditions

表5 不同操作条件下的理论能耗（37通道，双级串联） Table 5 Energy consumption at different operating conditions（37 channels，2 stage series）

3 结 论

本文以油田含聚采出水为过滤体系，研究了微孔曝气强化气升式陶瓷膜过滤装置通量，考察了跨膜压差和曝气量对膜通量的影响。研究了膜管通道内的气液两相流，并分析了出水水质，计算了装置能耗，得到如下结论。

（1）曝气孔径由1 mm减少到1 μm，膜通量随曝气头孔径减小而增大。采用微孔曝气过滤，膜管通道中的气泡均形成了弹状流，且气泡在多通道中的分布更为均匀。在多通道膜分离过程中，微孔曝气可以作为气升式膜装置的参考曝气方式。

（2）气升式陶瓷膜过滤装置的操作压力为0.4 MPa最合适。曝气量由300 L·h-1增加到600 L·h-1时，膜通量逐渐增大。膜面剪切力和循环液速均随曝气量的增加而增加，其中气弹区膜面剪切力是液弹区的6～10倍，表明采用气液两相流可以显著增强对膜表面浓差极化的控制作用。

（3）使用平均孔径为50 nm的陶瓷膜，气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水后的出水颗粒粒径中值0.5～0.7 μm、固体悬浮物含量0.6～1.0 mg·L-1、油含量小于0.2 mg·L-1，达到5.1.1回注标准。

（4）0.4 MPa、600 L·h-1操作条件下，该气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水的每吨水样耗电2.639 kW·h。而双级串联，37通道下的每吨水样理论耗电仅为0.879 kW·h。

综上所述，采用气升式陶瓷膜过滤装置处理油田含聚采出水是一种有潜力的方法。

References

[1] 崔佳, 王鹤立, 龙佳. 无机陶瓷膜在水处理中的研究进展[J]. 工业水处理, 2011, 31(2): 13-16.
CUI J, WANG H L, LONG J. Research on inorganic ceramic membranes applied to water treatment[J]. Industrial Water Treatment， 2011, 31(2): 13-16.

[2] 任南琪, 周显娇, 郭婉茜, 等. 染料废水处理技术研究进展[J]. 化工学报, 2013, 64(1): 84-94.
REN N Q, ZHOU X J, GUO W Q,. A review on treatment methods of dye wastewater[J].CIESC Journal, 2013, 64(1): 84-94.

[3] 王龙耀, 邢卫红, 杨刚, 等. 头孢菌素C发酵液膜过滤过程中收率的估算与控制[J]. 化工学报, 2006, 57(7): 1632-1636.
WANG L Y, XING W H, YANG G,. Estimation and control of yield of cephalosporin C separated from fermentation broths by ceramic membrane[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2006, 57(7): 1632-1636.

[4] 钟溢健, 张济辞, 吴子焱, 等. 新型准对称无机膜的正渗透去除Cd2+的效能[J]. 化工学报, 2015, 66(1): 387-392.
QIAN Y J, ZHANG J C, WU Z Y,. Novel quasi-symmetric thin-film inorganic membrane for elimination of Cd2+in aqueous solution by forward osmosis[J]. CIESC Journal, 2015, 66(1): 387-392.

[5] 景文珩, 邢卫红, 张伟, 等. 一体化陶瓷外膜乳化装置制备O/W型乳状液[J]. 化工学报, 2004, 55(2): 328-330.
JING W H, XINGW H, ZHANG W,. Preparation of O/W emulsion using submerged ceramic external membrane apparatus[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2004, 55(2): 328-330.

[6] EBRAHIMI M, ASHAGHI K S, ENGEL L,. Characterization and application of different ceramic membranes for the oil-field produced water treatment[J]. Desalination, 2009, 245(1): 533-540. DOI:10.1016/j.desal.2009.02.017.

[7] FIELD R W, PEARCE G K. Critical,sustainable and threshold fluxes for membrane filtration with water industry applications[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2011, 164(1): 38-44. DOI:10.1016/j.cis.2010.12.008.

[8] ZHANG W X, LUO J Q, DING L H,. A review on flux decline control strategies in pressure-driven membrane processes[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(11): 2843-2861. DOI:10.1021/ie504848m.

[9] LU D W, ZHANG T, MA J. Ceramic membrane fouling during ultrafiltration of oil/water emulsions: roles played by stabilization surfactants of oil droplets[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(7): 4235-4244. DOI:10.1021/es505572y.

[10] CUI Z F, BELLARA S R, HOMEWOOD P. Airlift crossflow membrane filtration—a feasibility study with dextran ultrafiltration[J]. Journal of Membrane Science, 1997, 128(1): 83-91.

[11] 张峰, 景文珩, 邢卫红. 弹状流对陶瓷膜超滤葡聚糖水溶液的影响[J] . 化工学报, 2009, 60(11): 2792-2797.
ZHANG F, JING W H, XING W H. Effect of slug flow on dextran ultrafiltration in ceramic membrane process[J] . CIESC Journal, 2009, 60(11): 2792-2797.

[12] MEI H W, XU H, ZHANG H K,. Application of airlift ceramic ultrafiltration membrane ozonation reactor in the degradation of humic acids[J]. Desalination and Water Treatment, 2015, 56(2): 285-294. DOI:10.1080/19443944.2014.934733.

[13] 石风强, 景文珩, 邢卫红. 陶瓷膜气升式纳滤装置过滤杆菌肽水溶液的研究[J].高校化学工程学报, 2012, 26(2): 189-195.
SHI F Q, JING W H, XING W H. Study on filtration of bacitracin aqueous by ceramic membrane airlift nanofiltration equipment[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2012, 26(2): 189-195.

[14] WIBISONO Y, COMELISSEN E R, KEMPERMAN A J B,. Two-phase flow in membrane processes: a technology with a future[J]. Journal of Membrane Science, 2014, 453: 566-602.

[15] 潘艳秋, 李凤延, 张威, 等. 气液两相流在碳膜微滤钛白悬浮液中的应用研究[J] . 高校化学工程学报, 2009, 23(1): 34-38.
PAN Y Q, LI F Y, ZHANG W,. Application of gas-liquid two phase flow in microfiltration of titanium dioxide suspension through tubular porous carbon membrane[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2009, 23(1): 34-38.

[16] 王志高, 吴金刚, 宋彦龙, 等. 气液两相流强化陶瓷膜过滤煤炭矿井水的研究[J]. 水处理技术, 2014, 40(4): 75-78.
WANG Z G, WU J G, SONG Y L,. Study on performance enhanced of gas-liquid two-phase flow in ultrafiltration of mine water with ceramic membrane[J]. Technology of Water Treatment, 2014, 40(4): 75-78.

[17] PHATTARANAWIK J, FANE A G, PASQUIER A,. Membrane bioreactor with bubble‐size transformer: design and fouling control[J]. AIChE Journal, 2007, 53(1): 243-248. DOI:10.1002/aic. 11040.

[18] 林进, 沈浩, 景文珩. 气升式陶瓷膜过滤过程的气液两相流模拟[J]. 化工学报, 2016, 67(6): 2246-2254.
LIN J, SHEN H, JING W H. The simulatiionof gas-liquid two phase flow of an airlift ceramic membrane filtration process [J] . CIESC Journal, 2016, 67(6): 2246-2254.

[19] SOFFER Y, ADIN A, GILRON J. Threshold flux in fouling of UF membranes by colloidal iron[J]. Desalination, 2004, 161(3): 207-221.

[20] 徐南平, 邢卫红, 赵宜江. 无机膜分离技术与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003: 116.
XU N P, XING W H, ZHAO Y J. Separation Technology and Application of Inorganic Membrane[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003: 116

[21] 丁慧, 彭兆洋, 李毅，等. 无机陶瓷膜处理油田采出水[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1399-1404.
DING H, PENG Z Y, LI Y,. Treatment of oilfield produced water by inorganic ceramic membrane[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1399-1404.

[22] 张学东. 陶瓷膜与改性PVDF超滤膜处理采油废水实验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.
ZHANG X D. Experimental research on technologys for ceramic membrane and modified PVDF membrane treating oilfield produced water contained polymer[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2008.

[23] GHOSH R, CUI Z F. Mass transfer in gas-sparged ultrafiltration: upward slug flow in tubular membranes[J]. Journal of Membrane Science, 1999, 162: 91-102.

[24] LABORIE S, CABASSUD C. Modeling and measurement of shear stress for a slug flow inside a capillary[J]. AIChE Journal, 2005, 51(4): 1104-1115. DOI:10.1002/aic.10382.

[25] ZHANG F, JING W H, XING W H. Modeling of cross-flow filtration processes in an airlift ceramic membrane reactor[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(23): 10637-10642.DOI:10.1021/ie900512g.

Treatment of produced polymer-containing wastewater at oilfield using airlift ceramic membrane filtration equipment

SHEN Hao1, ZHANG Chun2,CHEN Chao1, JING Wenheng1, XING Weihong1

(1State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, Jiangsu, China;2Jiangsu Jiuwu Hi-Tech Cooperation Limited, Nanjing 211808, Jiangsu, China)

A novel airlift ceramic membrane filtration equipment was employed to treat the produced polymer-containing wastewater at oilfield. In the process of treatment on the produced polymer-containing wastewater at oilfield by ceramic membrane filtration, the energy consumption was reduced due to the gas-liquid two phase flow in place of monophase flow of liquid. Effects of aeration pore size, aeration rate and transmembrane pressure on membrane flux were investigated. It showed that the microporous aeration promoted the more homogeneous distribution of gas inside membrane tube, hence inhibited membrane contamination and concentration polarization and the alleviated decay of membrane flux. The maximum flux was achieved under condition of 1 μm of aeration pore size, of which the membrane flux increased remarkably with an increase in aeration rate from 300 to 600 L·h-1. Moreover, the transmembrane pressure influenced the membrane flux significantly, with an optimal pressure of 0.4 MPa. The various parameters of quality of the permeated water are stable, which satisfies the requirements of the standard 5.1.1 of reusing water. The energy consumption per ton water of airlift ceramic membrane filtration equipment was also calculated.

airlift; membranes; oilfield produced water; microporous aeration; filtration

supported by the National Natural Science Foundation of China(21176116), the Higher Education Natural Science Foundation of Jiangsu Province (15KJA530001) and the Project of Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD).

date: 2016-03-04.

Prof. JING Wenheng,jingwh@njtech.edu.cn

TQ 052

A

0438—1157（2016）09—3768—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160253

国家自然科学基金项目(21176116)；江苏省高校自然科学基金重大项目(15KJA530001)；江苏高校优势学科建设工程资助项目。

2016-03-04收到初稿,2016-06-17收到修改稿。

联系人：景文珩。第一作者：沈浩（1991—），男，硕士研究生。